(Luận án tiến sĩ) nghiên cứu tổng hợp, cấu trúc và khảo sát hoạt tính sinh học của một số hợp chất chứa dị vòng benzothiazole và benzo

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI  NGUYỄN THỊ NGỌC MAI LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP, CẤU TRÚC VÀ KHẢO SÁT HOẠT TÍNH SINH HỌC CỦA MỘT SỐ HỢP CHẤT CHỨA DỊ VỊNG BENZOTHIAZOLE VÀ BENZOXAZOLE Chun ngành: Mã số: HĨA HỌC HỮU CƠ 9.44.01.14 Người hướng dẫn khoa học: TS Dƣơng Quốc Hoàn TS Trịnh Thị Huấn Hà Nội, 12/2021 LỜI CẢM ƠN Với lịng kính trọng biết ơn sâu sắc, xin gửi lời cảm ơn tới Thầy TS Dƣơng Quốc Hồn Cơ TS Trịnh Thị Huấn người Thầy ln tận tình hướng dẫn tơi suốt q trình học tập, nghiên cứu hồn thành luận án Tơi xin chân thành cảm ơn Thầy Bộ mơn Hóa hữu cơ, Thầy Khoa Hóa học – Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Khoa Khoa học tự nhiên – Trường Đại học Hồng Đức – Thanh Hóa động viên, giúp đỡ có ý kiến đóng góp quý báu tạo điều kiện sở vật chất thuận lợi cho tơi hồn thành luận án Tơi xin trân trọng cảm ơn Viện Hóa học Viện Hóa học hợp chất thiên nhiên (Viện Hàn lâm KH CN Việt Nam) nhiệt tình phối hợp, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành mục tiêu luận án Tôi vô biết ơn động viên, giúp đỡ gia đình, đồng nghiệp, bạn bè suốt q trình học tập, nghiên cứu hồn thành luận án Tôi xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, tháng 12 năm 2021 Tác giả luận án Nguyễn Thị Ngọc Mai ii MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục đích nhiệm vụ luận án Đối tượng phạm vi nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan dị vòng benzothiazole 1.1.1 Phương pháp tổng hợp dị vòng benzothiazole 1.1.2 Hoạt tính sinh học hợp chất chứa dị vòng benzothiazole 1.2 Tổng quan dị vòng benzoxazole 16 1.2.1 Phương pháp tổng hợp dị vòng benzoxazole 17 1.2.2 Hoạt tính sinh học hợp chất chứa dị vòng benzoxazole 20 Tiểu kết chương 24 CHƢƠNG THỰC NGHIỆM 26 2.1 Hóa chất thiết bị 26 2.1.1 Hóa chất 26 2.1.2 Dụng cụ, thiết bị phịng thí nghiệm 26 2.1.3 Phương pháp tinh chế sản phẩm 26 2.1.4 Thiết bị nghiên cứu tính chất cấu trúc 26 2.2 Phƣơng pháp thăm dị hoạt tính sinh học 27 2.2.1 Hoạt tính kháng vi sinh vật kiểm định 27 2.2.2 Hoạt tính chống oxi hóa 29 2.2.3 Hoạt tính độc tế bào 30 2.2.4 Hoạt tính điều hịa sinh trưởng thực vật 31 2.3 Tổng hợp chất 32 2.3.1 Sơ đồ tổng hợp chung 32 2.3.2 Tổng hợp chất chìa khóa…………………………………………………34 v 2.3.3 Tổng hợp dãy benzazole 4A1-4A6 4B1-4B13 36 2.3.4 Tổng hợp N-formamide 5A, 5B 37 2.3.5 Tổng hợp dãy ester, acid carboxylic acid hydroxamic 37 2.3.6 Tổng hợp dãy hydrazide-hydrazone 39 2.3.7 Tổng hợp benzoxazole từ nitrovanillin 41 CHƢƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 44 3.1 Tổng hợp cấu trúc hai chất chìa khóa 4A 4B 44 3.1.1 Tổng hợp chất chìa khóa 4A 4B 44 3.1.2 Xác định cấu trúc hai chất chìa khóa 4A 4B 46 3.2 Tổng hợp xác định cấu trúc dãy benzazole 4A1-4A6 4B14B13 50 3.2.1 Tổng hợp benzazole 50 3.2.2 Xác định cấu trúc benzazole 54 3.3 Tổng hợp cấu trúc N-formamide 5A 5B 65 3.3.1 Tổng hợp N-formamide 65 3.3.2 Xác định cấu trúc N-formamide 67 3.4 Tổng hợp cấu trúc dãy acid carboxylic 72 3.4.1 Tổng hợp dãy acid carboxylic 72 3.4.2 Xác định cấu trúc dãy acid carboxylic 73 3.5 Tổng hợp xác định cấu trúc dãy acid hydroxamic 77 3.6 Tổng hợp xác định cấu trúc dãy hydrazide 82 3.6.1 Tổng hợp 82 3.6.2 Xác định cấu trúc hydrazie 83 3.7 Tổng hợp cấu trúc dãy hydrazide - hydrazone 89 3.7.1 Tổng hợp hydrazide - hydrazone 89 3.7.2 Xác định cấu trúc hydrazide - hydrazone 94 3.8 Tổng hợp cấu trúc benzoxazole từ nitrovanillin 113 3.8.1 Tổng hợp o-nitrophenol 113 3.8.2 Tổng hợp o-aminophenol dẫn xuất 120 vi 3.9 Hoạt tính sinh học số chất 130 3.9.1 Hoạt tính kháng vi sinh vật kiểm định 130 3.9.2 Hoạt tính chống oxi hóa 132 3.9.3 Hoạt tính độc tế bào 133 3.9.4 Hoạt tính điều hịa sinh trưởng thực vật 135 KẾT LUẬN 140 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 142 TÀI LIỆU THAM KHẢO 143 vii MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Hợp chất chứa dị vịng benzothiazole có vai trò quan trọng nhiều lĩnh vực, đặc biệt hóa học tổng hợp, y học dược phẩm có hoạt tính sinh học phong phú kháng khuẩn, kháng nấm, kháng tế bào ung thư Nhiều hợp chất chứa dị vòng benzothiazole sử dụng làm thuốc như: Riluzole dùng làm thuốc chống trầm cảm, Zopolrestat dùng để điều trị biến chứng tiểu đường Ethoxazolamide dùng làm thuốc tăng nhãn áp, lợi tiểu, loét tá tràng… Nhiều dẫn xuất benzothiazole trình thử nghiệm lâm sàng làm bật tầm quan trọng dị vịng Bên cạnh đó, benzoxazole khung dị vòng thường gặp thiên nhiên tổng hợp Benzoxazole tìm thấy cấu trúc hóa học số dược phẩm như: thuốc chống viêm Flunoxaprofen, thuốc kháng sinh Calcimycin, thuốc giảm đau, hạ sốt chống viêm Benoxaprofen … Hợp chất chứa dị vòng benzoxazole nhận quan tâm lớn nhà khoa học có nhiều hoạt tính sinh học phong phú kháng ung thư, kháng khuẩn, chống co giật Tuy nhiên, cơng trình nghiên cứu hai dị vòng Việt Nam ít, chưa có hệ thống dừng lại việc tổng hợp mà chưa quan tâm nhiều đến hoạt tính sinh học Việc tổng hợp nghiên cứu dẫn xuất benzothiazole có chứa đồng thời hai nhóm chức amino hydroxyl khơng làm tăng khả chuyển hóa để tạo thành dẫn xuất mà cịn tăng khả cộng hưởng hoạt tính điều cần thiết Do đó, hướng nghiên cứu rộng mở, hứa hẹn kết mẻ, lý thú, có ích phương diện lý thuyết thực tiễn Vì vậy, tơi lựa chọn đề tài: ―Nghiên cứu tổng hợp, cấu trúc khảo sát hoạt tính sinh học số hợp chất chứa dị vịng benzothiazole benzoxazole‖ Mục đích nhiệm vụ luận án - Mục đích: Nghiên cứu tổng hợp, xác định cấu trúc chuyển hóa có định hướng tạo thành số hợp chất có chứa dị vịng benzothiazole benzoxazole nhiều nhóm từ ngun liệu ban đầu 4-hydroxybenzaldehyde vanillin, nhằm tìm kiếm hợp chất có hoạt tính sinh học cao có ứng dụng khác - Nhiệm vụ: + Xuất phát từ chất đầu 4-hydroxybenzaldehyde vanillin tổng hợp số ―chất chìa khóa‖ loại o-aminophenol + Chuyển hóa ―chất chìa khóa‖ thành dãy hợp chất có chứa dị vịng benzothiazole benzoxazole + Nghiên cứu tính chất xác định cấu trúc hợp chất phương pháp phổ đại IR, NMR MS + Thăm dị hoạt tính kháng vi sinh vật kiểm định, chống oxi hóa, kháng tế bào ung thư hoạt tính kích thích sinh trưởng thực vật số hợp chất nhằm tìm kiếm hợp chất có hoạt tính sinh học cao Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng: Một số hợp chất chứa dị vòng benzothiazole benzoxazole - Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu tổng hợp, xác định cấu trúc thăm dị hoạt tính sinh học hợp chất tổng hợp Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài - Đã hoàn thiện 02 quy trình tổng hợp hợp chất chứa dị vịng benzothiazole theo ngun tắc hóa học xanh từ hai chất đầu 4-hydroxybenzaldehyde vanillin là: i) khép vịng benzoxazole có chứa dị vịng benzothiazole, phản ứng khép vòng xảy đồng thời hai nhóm chức amino hydroxyl; ii) N-formyl hóa nhóm amine, phản ứng xảy nhóm chức amine Trong quy trình tổng hợp có số giai đoạn sử dụng chiếu xạ lượng vi sóng rút ngắn thời gian phản ứng, tiết kiệm dung môi tăng hiệu suất phản ứng - Cung cấp nguồn liệu chuẩn xác phổ IR, NMR MS hợp chất dị vòng phức tạp phục vụ cho nghiên cứu khoa học đào tạo nguồn nhân lực chất lượng cao cho xã hội - Một số hợp chất có chứa dị vịng benzothiazole loại N-formamide acid hydroxamic thể độc tính tế bào tốt tương đương đối chứng, hợp chất loại o-aminophenol lại có hoạt tính chống oxi hóa cao, điều giúp định hướng cho việc tìm kiếm hợp chất có tiềm ứng dụng vào thực tế CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan dị vòng benzothiazole Benzothiazole hợp chất dị vòng ngưng tụ gồm dị vòng cạnh 1,3-thiazole kết hợp với vòng benzene thuộc họ benzo-1,3-azole [6] S N Benzothiazole N N HOOC S HO S HO N HO Me S AcO Me MeO Firefly luciferin (2) (1) O F F O S NH2 F N N N N F S OH Zopolrestat (5) Ziluzole (4) O F F S N Me COOH O S NH2 O O Ethoxazolamide (6) O Me Me OH O Me OH OH NH O S N O H Me Rifamycin P (3) Hình 1.1 Benzothiazole số dẫn xuất có tự nhiên sử dụng y học Nhiều hợp chất chứa dị vòng benzothiazole tìm thấy thiên nhiên chúng thường có phổ hoạt tính sinh học phong phú, chọn lọc thân thiện với thể sống môi trường Ví dụ, acid 6-hydroxybenzothiazole-5-acetic (1) (Hình 1.1) hợp chất kháng khuẩn có tên C304A M4582 sản phẩm tách từ nước lọc vi khuẩn Actinosynnema [45] Paecilomyces lilacinus [108] Hợp chất thể khả giảm biến chứng mắt dây thần kinh Luciferin (2) chất phát quang sinh học ruồi lửa [96] Rifamycin P (3) tách lần q trình lên men, thể hoạt tính kháng sinh tốt có chọn lọc Chẳng hạn ức chế mạnh vi khuẩn Gr (+) Gr (-) lại yếu vi khuẩn gây bệnh MAC (Mycobacterium avium complex) người mắc bệnh HIV [18, 22, 32] Hơn nữa, số hợp chất chứa benzothiazole trở thành thuốc thương mại Riluzole (4), Zopolrestat (5), Ethoxazolamide (6) [39, 111]… Do đó, có nhiều phương pháp tổng hợp dị vòng benzothiazole nghiên cứu phát triển 1.1.1 Phƣơng pháp tổng hợp dị vòng benzothiazole Trên giới, dị vòng benzothiazole nghiên cứu tổng hợp sớm Hofmann (năm 1880) xuất phát từ phản ứng acid formic o-aminothiophenol [36] Sau phương pháp tổng hợp dị vịng phát triển mạnh mẽ Trên sở chất phản ứng, mơ tả phương pháp tổng hợp dị vịng benzothiazole theo sơ đồ sau: X S H-íng b S R N H NH2 H-íng a Z SH N R R Y H-íng c S U N V-R X: H, halogen, Y: O, S, Se Z: H, OH, OR, NH, SMe V: COOH, Br, I, ZnBr Sơ đồ 1.1 Các hƣớng tổng hợp benzothiazole Theo sơ đồ trên:  Hướng a: ngưng tụ 2-aminothiophenol với hợp chất chứa nhóm carbonyl aldehyde, ketone, acid carboxylic, chloride acid, ester  Hướng b: tạo benzothiazole từ aniline phản ứng đóng vịng nội phân tử thiobenzanilide dẫn xuất  Hướng c: chuyển hóa hợp chất 2-benzothiazole để tạo thành dẫn xuất Trong hướng hướng a sử dụng nhiều nhất, phản ứng ngưng tụ 2-aminothiophenol với aldehyde phương pháp kinh điển phổ biến để tổng hợp dị vòng Ban đầu phản ứng ngưng tụ amine aldehyde tạo thành azomethine Sau phản ứng cộng nucleophile vào nhóm >C=N- Do có mặt oxygen khơng khí nên ngun tử hydrogen bị oxy hóa kèm theo phản ứng tách nước sinh dị vòng benzothiazole [80] SH NH2 R CH O SH S R N CHR N H H Kh«ng khÝ -H2O S R N Sơ đồ 1.2 Tổng hợp benzothiazole từ aldehyde 1.1.1.1 Ngƣng tụ 2-aminothiophenol aldehyde thơm sử dụng xúc tác đồng thể a) Ngƣng tụ sử dụng chất xúc tác acid  Guo cộng tìm phương pháp đơn giản cho phản ứng ngưng tụ 2-aminothiophenol aldehyde sử dụng hỗn hợp H2O2/HCl làm chất xúc tác dung môi ethanol nhiệt độ phòng Ưu điểm phương pháp thời gian phản ứng ngắn, sản phẩm phân lập dễ dàng hiệu suất phản ứng cao (>85%) [29] SH RCHO 30%H2O2, 37%HCl (6:3) r.t, 45-60 phút NH2 N R H>85% S  Maleki cộng phát triển phương pháp tổng hợp dẫn xuất 2arylbenzothiazole từ phản ứng ngưng tụ 2-aminothiophenol với aldehyde thơm cách sử dụng NH4Cl làm chất xúc tác hệ dung mơi kép methanol/nước (15:1) nhiệt độ phịng Ưu điểm phương pháp sử dụng NH4Cl chất xúc tác rẻ tiền, sẵn có khơng chứa kim loại Để nghiên cứu ảnh hưởng dung môi đến hiệu suất phản ứng, tác giả sử dụng dung môi hữu khác chloroform, ethanol, acetonitrile, dichloromethane nước Kết nghiên cứu cho thấy hệ methanol/nước dung môi tốt cho phản ứng [53] CHO SH R NH4Cl(70mol%)/O2 CH3OH:H2O(15:1) r.t , 20-60 NH2 N S H= 58 - 92% R b) Ngƣng tụ không sử dụng chất xúc tác  Sử dụng dung môi DMSO, Batista cộng tổng hợp bithienyl1,3-benzothiazole từ phản ứng ngưng tụ 2-aminothiophenol 5-formyl-5'alkoxy-bithiophene 5-formayl-5’-(N,N-dialkylamino)-2,2'-bithiophene Phản ứng thực nhiệt độ cao (120oC) thời gian phản ứng tương đối ngắn (30-60 phút) [12] NH2 OHC SH S DMSO R N S 120 C, 30-60 phút S H = 56-96% R=H; OMe, OEt, NMe2, NEt2, N(i-Pr)2, piperidino, morpholino S S R  Hu cộng thực phản ứng ngưng tụ điều kiện khơng khí, dung môi DMSO không sử dụng xúc tác Điều kiện cho phép nhiều nhóm chức khác tồn phản ứng cho hiệu suất tốt từ 61 đến 95% Phương pháp cho phép áp dụng với nhiều dẫn xuất benzaldehyde để tổng hợp dị vòng Ngoài tác giả chứng minh DMSO dung môi tốt cho loại phản ứng Tuy nhiên thời gian phản ứng dài cần [37] Hình PL317: Phổ 13C NMR hợp chất 15B7 Hình PL318: Phổ HMBC hợp chất 15B7 PL159 NO2 HO O N H3CO 15B7 Br C16H15BrN2O5 Exact Mass: 394.02 Hình PL319: Phổ (+) MS hợp chất 15B7 NO2 HO O N H3CO 15B7 Br Hình PL320: Phổ (-) MS hợp chất 15B7 PL160 Hình PL321: Phổ IR hợp chất 16B1 Hình PL322: Phổ 1H NMR hợp chất 16B1 PL161 Hình PL323: Phổ 13C NMR hợp chất 16B1 Hình PL324: Phổ HSQC hợp chất 16B1 PL162 Hình PL325: Phổ HMBC hợp chất 16B1 OCH3 O O OCH3 N Cl N 18B1 Hình PL326: Phổ 1H NMR hợp chất 18B1 PL163 OCH3 O O OCH3 N N 18B1 Cl Hình PL327: Phổ 13C NMR hợp chất 18B1 OCH3 O O OCH3 N Cl N 18B1 Hình PL328: Phổ HSQC hợp chất 18B1 PL164 OCH3 O O OCH3 N N 18B1 Cl Hình PL329: Phổ HMBC hợp chất 18B1 OCH3 O O OCH3 N N 18B1 Cl Hình PL330: Phổ (+) MS hợp chất 18B1 PL165 OCH3 O O OH N N 18B2 Cl Hình PL331: Phổ 1H NMR hợp chất 18B2 OCH3 O O OH N N 18B2 Cl Hình PL332: Phổ (-) MS hợp chất 18B2 PL166 Hình PL333: Kết thử hoạt tính kháng vi sinh vật kiểm định PL167 Hình PL334: Kết thử hoạt tính chống oxi hóa theo phƣơng pháp DPPH PL168 Hình PL335: Kết thử hoạt tính độc tế bào PL169 Hình PL336:Một số hình ảnh hoạt tính kích thích sinh trƣởng 9A2 ngơ PL170 Hình PL337:Một số hình ảnh hoạt tính kích thích sinh trƣởng 9B2 ngơ PL171 Hình PL338:Một số hình ảnh hoạt tính kích thích sinh trƣởng 9A2 lúa BACTHOM7 PL172 Hình PL339:Một số hình ảnh hoạt tính kích thích sinh trƣởng 9B2 lúa OM18 PL173 ... R2 Hoạt tính sinh học hợp chất chứa dị vịng benzothiazole Các hợp chất chứa dị vịng benzothiazole có hoạt tính sinh học phong phú bật là: Hoạt tính chống ung thư; hoạt tính kháng khuẩn, kháng... tổng hợp mà chưa nghiên cứu hoạt tính sinh học dựa dị vịng 24 benzothiazole sẵn có sau chuyển hóa thành dẫn chất nghiên cứu hoạt tính sinh học Vì vậy, việc tổng hợp nghiên cứu hợp chất dị vịng benzothiazole. .. vật số hợp chất nhằm tìm kiếm hợp chất có hoạt tính sinh học cao Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng: Một số hợp chất chứa dị vòng benzothiazole benzoxazole - Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu